IGBT功率放大电路保护方法的应用

　　摘要：本文针对IGBT功率放大电路的保护问题，探讨了过流检测电路、驱动信号脉宽检测及过热保护的实现方法，通过仿真与试验，验证保护电路的效果。

　　引言

　　基于IGBT的大功率开关放大电路运行时，功率大、电压高，经常受到容性或感性负载的冲击，承受过负荷，器件的运行区超出所给定的安全工作区，同时，由于IGBT的耐电应力冲击能力差，易导致器件损毁。

　　因此，设计出IGBT功率放大电路的保护电路，解决IGBT潜在的桥臂直通、过电流、过热等故障因素，是非常有必要的。

　　概述

　　针对前文提到的桥臂直通、过电流、过热等三个问题，本文提出不同形式的电路，满足IGBT器件的保护需求。

　　驱动信号检测(防止桥臂直通)：在基于IGBT的功率开关放大电路中，驱动信号必须是带死区的方波信号，信号“死区^[1]”一旦消失，控制时序出现紊乱，从而造成同一侧桥臂直通，后果是IGBT器件损毁，而且控制“死区”的响应时间必须是微秒级;虽然可以采用分立器件设计检测电路，但调试比较繁琐;本文选择CPLD作为逻辑电路的载体，发挥其在逻辑电路设计中的易用性特点，编写相应的检测电路代码，对CPLD进行编程，得到驱动信号的脉冲宽度检测电路的核心处理单元，同时，设计相应的外部信号接口电路，从而实现对驱动信号的脉冲宽度的“死区”检测;

　　过流保护：IGBT功率开关电路的过电流会造成IGBT非正常退出饱和区，从而造成IGBT的损坏;采用霍尔传感器，比较器、驱动器等高速器件来设计“过流”保护电路，使过流保护电路能够控制作为直流电源开关的IGBT，从而使得直流电源能够接受保护电路的分闸与合闸控制，是一种可行的方法。

　　过热保护：对IGBT的结温进行监测，当结温超过设定值，输出报警，切断IGBT的直流电源及其驱动信号的输入，设计适用的电路，从而达到对基于IGBT的功率开关电路的保护目的。

　　保护电路的设计

　　过流检测

　　过流检测电路设计原理图如图1所示，在功率放大电路的IGBT的供电主回路中，串行安装电流互感器，电流互感器实时采样并输出通过IGBT的直流电流值;采样值经取样电阻，将电流信号转换为电压信号，并送至比较器输入端，比较器的门限电压通过电位器RP来调整和设定(实际工程中，设定的值可以通过预先计算或经试验得到);这样，取样电阻上的电压和门限电压通过比较器比较;当检测到直流电源“过流”时，即过流信号在取样电阻RM两端电压产生超过预先设置门限电压上限值，电压比较器响应动作，输出高电平，此电平信号触发可控硅Q1的导通，则与可控硅的阴极串联的电阻R2节点处将输出电平信号，此信号处于持续锁定状态，此电平信号(即过流输出信号响应动作)输出给IGBT的信号驱动板，驱动板立即闭锁驱动信号输出，这样IGBT被断开，提供给功率放大电路的直流电源被切断，IGBT器件得到保护。　　

 

　　另外，当过流保护电路输出过流信号时，LED导通发光，指示过流信号检出;待确定IGBT功率放大电路的过流状态消失，则可以通过外部控制将开关S闭合，即将可控硅复位，将IGBT驱动器的驱动信号输出锁定电平信号撤销。

　　驱动信号检测

　　基于IGBT功率放大电路的同一桥臂上的两路驱动信号要留有“死区”时间，也就是不能同时为高电平，否则会造成开关电路的桥臂直通而短路，驱动信号的脉冲过宽和过窄，以及无脉冲输出，会严重影响功率放大电路的稳定运行。

　　当功率开关放大电路使用固定驱动信号时，可以运用脉冲宽度检测方法，选择适当的频率信号作为计数的时标单位，对驱动信号的高电平持续进行时标信号计数，并且将计数的个数值转换为时间，即得到脉冲宽度值。

　　电路实现：在CPLD中设置预先设定的计数门限值，即驱动信号高电平或者低电平持续的最大计数值;对输入的驱动信号的高电平或者低电平持续计数，将采样得到的单位计数值与预置的门限计数值进行比较，如果计数值小于或者大于预先设置的值，则检测模块输出闭锁信号，切断驱动信号输出模块的信号输出，完成驱动信号的高电平脉冲宽度检测;同时，模块将驱动信号进行反相逻辑转换，然后再检测转换后形成的高电平脉冲宽度，这样，实现驱动信号的低电平的脉冲宽度检测。